软光刻技术：SU-8涂层

Tips:汶颢提供微流控芯片模具及软光刻相关设备，如匀胶机（又叫旋涂机等）、烘胶台、SU-8系列光刻胶及显影液产品和相关技术输出服务。

在软光刻技术中，通常用SU-8模具复制PDMS微流体结构芯片。为了制造这种SU-8母版，通常使用标准光刻工艺。因此，第一个关键问题是在硅晶片上应用SU-8光刻胶层，如图1所示。

用于制作SU-8主模具的光刻标准协议：首先必须在硅晶圆上沉积一层薄的SU-8层

SU-8涂层是影响光刻工艺后续步骤的关键步骤。事实上，SU-8膜的均匀性和平滑度（例如，气泡的存在）的任何变化将导致烘烤期间的非均匀加热和/或不均匀暴露于UV光。因此，SU-8膜的区域可以以不同的速率聚合。这篇简短的教程旨在提供一些关于为了在晶圆表面均匀涂布SU-8而必须遵循的设备和方案的见解。

软光刻SU-8涂层：旋涂或喷涂？

光刻胶可以通过不同的技术（如光刻胶电沉积）应用于晶圆上。然而，本教程仅考虑在制造微流控芯片期间用SU-8涂覆晶片的两种最主要的方法。

旋涂：基础

旋涂工艺用  旋涂机完成（见图2a）。图2b说明了旋涂工艺的原理。待涂覆的基底位于可以高速（例如2000-8000rpm）旋转的卡盘上。使用真空线以便将晶片牢固地保持在适当位置。将SU-8轻轻沉积在晶片的中心，以覆盖晶片表面的2/3左右。当晶片加速时，离心力会使光致抗蚀剂扩散到晶片的边缘; 在其表面留下薄膜。

旋转涂抹机的照片

旋涂工艺的例子

喷涂：基础知识

图3a显示了喷涂单元的一个例子。喷雾系统通常包括产生微米级液滴分布的喷嘴。类似于旋涂机，待涂布的晶片通过真空系统保持在卡盘上。在喷涂过程中，晶片以较低的角速度（30-60rpm）旋转，同时喷涂单元的旋转臂移过晶片（见图3b）。

显示晶片卡盘（1），带喷头（2）的旋转臂和光刻胶注射泵（3）[2]的喷涂装置的照片。

旋涂工艺的例子

尽管该过程可以通过如图3a所示的单元实现自动化，但可以注意到，喷涂也可以使用便携式自携喷雾罐以成本有效的方式手动执行。

用于手动喷涂的气溶胶喷雾罐的例子

旋涂与喷涂：比较

旋涂具有许多优点。首先，它是一种非常成熟和强大的技术。从而可以实现出色的结果。具有各种粘度的SU-8光刻胶可以直接与旋涂工艺一起使用。可以高度均匀地获得大范围的厚膜（从超薄层到数百微米厚的层）。而且，旋涂提供了良好的重复性。尽管如此，旋涂也有一些限制。特别是，旋涂仅在平面晶圆上提供良好的结果。另外，由于在纺丝过程中大部分光致抗蚀剂（> 95％）从基材上被抛出，所以旋涂会产生大量的废料。

对于喷涂而言，由于光致抗蚀剂液滴应该留在它们沉积的地方，所以在喷涂过程中浪费的SU-8的量可以显著低于旋涂的量。此外，喷涂的一个有趣的优点是它可以用于非平坦或有纹理的晶圆（例如，带有孔，条纹等的晶圆）。尽管如此，为了获得合适的光刻胶尺寸分布，通常需要低粘度溶液[5]。这意味着必须用溶剂稀释SU-8光刻胶以获得良好的覆盖性能。喷涂的其他限制与其无法像旋涂一样精确地控制沉积膜的厚度。同样，喷涂通常导致沉积层的涂层均匀性更加不规则。

用9μmSU-8薄膜的气溶胶喷雾罐得到的涂层均匀性实例

基于软光刻技术的微流控芯片的制造通常涉及具有平坦表面的晶圆。因此，旋涂绝对是最普遍的方法，并且被一致地选择用于微流控  相关的作品。这就是为什么本教程的其余部分将专注于旋涂。

SU-8旋涂：如何将均匀的SU-8膜用于微流控模具？

尽管其表面简单，但旋涂工艺的物理学可能被认为是相当复杂的。实际上，由晶片的角速度引起的光致抗蚀剂的径向流动实际上结合到溶剂蒸发和干燥效应。此外，旋转晶圆周围的环境条件（温度，来自罩子的空气流量，湿度等）可能会影响工艺。

尽管如此，在制造微流体模具期间，所使用的商业旋涂机是封闭的碗，其使对不希望的气流，湿度变化和其他环境条件的易感性最小化。今天也承认最初沉积在晶圆上的SU-8的数量，沉积的速率，最终加速之前的旋转加速历史和总旋转时间对有限的或没有影响[7]。因此，只有两个参数会显着影响旋涂过程的最终结果：旋转速度和旋转加速度。

商业旋涂机允许准确设置这两个参数。图6显示了旋转涂布机的基本程序。

用于编程旋涂机的基本速度曲线的例子

在图6中，必须准确控制朝向主旋转速度的第一个加速斜坡。事实上，光刻胶开始从工艺的第一部分开始干燥，并且在最初的几秒钟内高达50％的溶剂可能会损失。由于这种加速度提供了扭转力，它将有助于SU-8在晶圆上的快速和正确的分散。通常，加速斜坡从100 rpm / s设置为300 rpm / s。

旋转速度然后影响施加到光致抗蚀剂的离心力的量。这种高速通常限定最终的膜厚度。后者大约随旋转速度的平方根（单位为rpm）而减小，如图7所示。

作为不同SU-8配方的旋转速度的函数的膜厚度

各种膜厚度和SU-8配方的加速和旋转速度设置示例